La valorizzazione energetica delle biomasse

La valorizzazione energetica delle biomasse Maria Rosaria Boni, Laura Virdis Sapienza Università di Roma l La produzione di energia da biomasse comprende processi che sfruttano una grande varietà di materiali di natura estremamente eterogenea. La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile utilizzo negli impianti di conversione. Il termine biomassa comprende quindi una notevole quantità di sostanze con caratteristiche fisico-chimiche anche molto diverse fra loro; tali caratteristiche, ed in particolare il contenuto di acqua e il rapporto carbonio/azoto (C/N), consentono di individuare il processo di conversione della biomassa più idoneo per ricavarne energia (Tabella 1). Se ad esempio si considera un tessuto vegetale con un contenuto di carbonio molto superiore a quello di azoto (C/N 30), siamo di fronte ad un composto organico di rinforzo (come la lignina) che presenta una struttura chimica molto complessa, con conseguente difficile biodegradabilità ed elevato potere calorifico; viceversa se tale rapporto è minore, i tessuti vegetali sono vitali, verdi, ricchi di acqua, di proteine e quindi idonei ad una degradazione operata da microrganismi con conseguente ridotto potere calorifico. Tabella 1. Materia prima, processi di conversione e usi finali delle biomasse categoria proprietà processi prodotti usi finali di biomasse di conversione Legna da ardere e Combustione Energia termica e/o residui lignocellulosici C/N>30 Pirolisi Calore, Oil, Gas elettrica per utenze agroforestali H2O<35% Gassificazione a punto fisso (secchi) Energia termica e/o Sottoprodotti agricoli 20<C/N<30 Digestione Biogas elettrica per utenze putrescibili (umidi) H2O>35% anaerobica a punto fisso Energia termica e/o Effluenti H2O 35% Digestione Biogas elettrica per utenze zootecnici C/N>30 anaerobica a punto fisso Piante 70<H2O<90 Fermentazione Etanolo Miscela con zuccherine 20<C/N<30 alcolica e derivati benzine Colture agricole ad H2O>35% Idrolisi e Etanolo Miscela con alto contenuto in C/N qualsiasi fermentazione e derivati benzine zucchero e amido alcolica Usi motoristici o per Colture agricole H2O>35% Estrazione di oli Biodiesel riscaldamento in oleaginose C/N qualsiasi ed esterificazione parziale sostituzione del gasolio 19

I residui agroforestali, i sottoprodotti agricoli ed industriali, le colture dedicate (oleaginose e zuccherine), gli effluenti zootecnici e la Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) rappresentano le biomasse più promettenti (Tabella 2). paese contributo % delle biomasse agli usi energetici primari USA 3,2 Europa 3,5 - Finlandia 18 - Svezia 17 - Austria 13 - Italia 2,5 Tabella 2. Contributo delle biomasse agli usi energetici primari in alcuni paesi Nel mondo allo stato attuale le biomasse soddisfano solo il 15% circa degli usi energetici primari (ovvero dell elettricità e del calore) con 1.230 miliardi di tonnellate equivalenti di petrolio all anno (Mtep/anno); tale valore mostra però una forte disomogeneità fra i vari Paesi, basti pensare ai Paesi in via di sviluppo, con 1.074 Mtep/anno, che in media soddisfano il 38% della propria domanda energetica, per contro in altri casi l impiego della risorsa può arrivare anche fino al 90% (Boni & Rubrichi, 2007). Un altro discorso è da farsi per i Paesi industrializzati dove, invece, le biomasse contribuiscono solo in percentuali molto ridotte agli usi energetici primari rispetto ai Paesi in via di sviluppo (mediamente il 3% pari a 156 Mtep/anno); in particolare, gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, l Europa il 3,5%, con percentuali di utilizzo diverse a seconda dello stato (Tabella 2); l Italia, con il 2,5% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea (Boni & Rubrichi, 2007). L impiego delle biomasse in Europa soddisfa, dunque, una quota piuttosto marginale dei consumi di energia primaria e inoltre il reale potenziale energetico è sfruttato solo parzialmente. I Paesi del centro-nord Europa sono all avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, avendo installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse. La Francia, che possiede la più vasta superficie agricola dell Europa, punta molto anche sulla produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego, come combustibile, ha adottato una politica di completa defiscalizzazione. La Gran Bretagna invece, ha sviluppato una produzione trascurabile di biocombustibili, ritenuti allo stato attuale antieconomici, e così si è dedicata, in particolare, allo sviluppo di un vasto ed efficiente sistema di recupero del biogas dalle discariche, sia per usi termici che elettrici. La Svezia e l Austria, che contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo che, come fornitura di materia prima, hanno rese 3 4 volte superiori alla media. Nel quadro europeo dell utilizzo energetico delle biomasse, l Italia si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante l elevato potenziale di cui dispone; si valuta, infatti, che la disponibilità di biomasse residuali (legno, residui agricoli e dell industria agroalimentare, rifiuti urbani e dell industria zootecnica), in Italia, corrisponde ad un ammontare di circa 66 milioni di t di sostanza secca l anno, equivalente a 27 Mtep. Un recente studio realizzato da ITABIA per Enitecnologie (Virdis, 2007) ha consentito di stimare le quantità di prodotti, sottoprodotti, scarti e rifiuti lignocellulosici disponibili allo stato attuale in Italia. I risultati di tale studio si possono riassumere secondo quanto segue: -- I residui delle colture erbacee ed arboree, la cui effettiva disponibilità è stata stimata in circa 8 milioni t/anno, sono in gran parte utilizzati (paglie di cereali). L assenza di organizzazioni (contoterzi) capaci di raccogliere, imballare e stoccare i sottoprodotti, rendono aleatoria la possibilità di considerare tali materiali una materia prima per processi di tipo industriale. È inoltre opportuno ricordare che, essendo tali residui sostanzialmente stabili e dotati di un elevato potere calorifico, possono trovare impiego per la produzione di biocombustibili solidi (pellet) o di materiali compositi (truciolati, addensati, etc ). -- Le biomasse forestali sono attualmente utilizzate per la produzione di legname da opera o da riscaldamento. Lo sviluppo tecnologico e operativo di filiere dedicate allo sfruttamento dei sottoprodotti (ramaglie, segature, cortecce, etc ) non si è, fino ad oggi, registrato in Ita- 20 Anno 2 Numero 4 Luglio Agosto 2008

lia. Se ciò accadesse, si potrebbe rispondere alla richiesta di un mercato nazionale crescente per biocombustibili solidi (pellets, chips, briquettes) attualmente soddisfatta da prodotti importati. -- Un elevato interesse potenziale è collegato allo sfruttamento dei rifiuti agro industriali la cui disponibilità è stata stimata in circa 4 milioni di tonnellate annue (come sostanza secca). Frequentemente si tratta di veri e propri rifiuti ai quali attualmente va associato un costo per il corretto smaltimento e quindi si tratta di fatto di materie prime potenziali a prezzo negativo. In particolare potrebbero essere approfondite le possibilità di impiego delle bucce e semi di pomodoro, pastazzo di agrumi e sanse vergini umide di olivo. Certamente i vincoli di stagionalità limitano l utilizzo di tali materie prime che dovrebbero essere inserite in un ciclo produttivo in esercizio senza soluzioni di continuità nell arco di un intero anno. Vantaggi Il vantaggio ambientale più rilevante dell utilizzo delle biomasse come fonti energetiche è rappresentato dall opportunità di emettere nell atmosfera solo la quota di anidride carbonica assorbita dalle biomasse durante il loro ciclo di vita, non contribuendo all incremento dell effetto serra naturale. Le biomasse si possono considerare risorse primarie rinnovabili e, quindi, inesauribili nel tempo, purché vengano impiegate ad un ritmo complessivamente non superiore alle capacità di rinnovamento biologico. In realtà, quindi, esse non sono illimitate quantitativamente, ma per ogni specie vegetale considerata la quantità disponibile è limitata dalla superficie ad essa destinata, nonché da vincoli climatici ed ambientali. Lo sfruttamento a fini energetici delle biomasse può assumere un ruolo strategico, contribuendo ad uno sviluppo sostenibile ed equilibrato del pianeta. Un impiego diffuso delle biomasse può comportare notevoli vantaggi a livello economico, ambientale ed occupazionale, in quanto esse possono garantire: -- la valorizzazione di residui agroindustriali; -- nuove opportunità di sviluppo per zone marginali e/o riduzione di surplus agricoli tramite la sostituzione di colture tradizionali con colture energetiche; -- la possibilità di sviluppo di nuove iniziative industriali; -- contributo nullo all incremento del tasso di CO 2 in atmosfera; -- l autonomia energetica locale di Aziende agricole o di lavorazioni del legno. Nell ottica della diversificazione delle fonti rinnovabili, inoltre, lo sfruttamento a fini energetici delle biomasse rappresenta, in particolare per l Italia, un importante giacimento energetico potenziale, che potrebbe permettere di ridurre la vulnerabilità nell approvvigionamento delle risorse energetiche e limitare l importazione di energia elettrica. Processi di conversione I processi di conversione delle biomasse in energia o vettori energetici possono essere suddivisi in processi biochimici e processi termochimici. I processi di conversione biochimica permettono di ricavare energia attraverso reazioni biochimiche operate da funghi e microrganismi sotto particolari condizioni, e sono idonei per biomasse caratterizzate da un rapporto C/N inferiore a 30 e un tenore di umidità alla raccolta superiore al 30%; tra queste ultime si possono citare le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.), nonché la Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani (FORSU). I processi di conversione termochimica sono basati sull azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N presenti valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.). Tra le varie tecnologie di conversione energetica delle biomasse alcune possono considerarsi giunte ad un livello di sviluppo tale da consentirne l utilizzazione su scala industriale, altre necessitano invece di ulteriore sperimentazione al fine di incrementare l efficienza energetica e ridurre i costi operativi. 21

Le principali tecnologie attualmente disponibili sono: -- combustione diretta -- carbonizzazione -- pirolisi -- gassificazione -- la digestione anaerobica -- fermentazione alcolica (bioetanolo) -- estrazione di oli (biodiesel) La combustione diretta viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%. Le biomasse utilizzabili a tale scopo sono: -- legname in tutte le sue forme; -- paglie di cereali; -- residui di raccolta di legumi secchi; -- residui di piante oleaginose (ricino, catramo, ecc.); -- residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, ecc.); -- residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali; -- residui dell industria agro-alimentare La carbonizzazione è un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l eliminazione dell acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore. La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l applicazione di calore, a temperature comprese tra 400 e 800 C, in completa assenza di un agente ossidante, oppure con una ridottissima quantità di ossigeno. I prodotti finali della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. La principale limitazione di tale processo di conversione è rappresentata dalla difficoltà di ottenere dei prodotti finali di elevata qualità ai fini di un loro utilizzo come combustibili. In prospettiva, anche con riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati ad olio pirolitico appaiono i più promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembrano più adatti ad impianti di piccola potenzialità. Il processo di gassificazione consiste nell ossidazione incompleta di una sostanza in ambiente ad elevata temperatura (900 1.000 C) per la produzione di un gas combustibile dotato di basso potere calorifico inferiore, variabile tra i 4.000 kj/nm³ (gassificatori ad aria) ed i 14.000 kj/nm³ (gassificatori ad ossigeno). Valori intermedi (10.000 kj/nm³) si ottengono nel caso di gassificatori a vapor d acqua. I problemi connessi a questa tecnologia, ancora in fase di sperimentazione, sono legati principalmente alle caratteristiche del gas che si ottiene, che presenta un basso potere calorifico e contiene diverse impurità (polveri, catrami e metalli pesanti) che limitano il suo utilizzo come vettore energetico (problemi connessi con il suo immagazzinamento e trasporto). La riduzione dei costi di trasporto può essere realizzata trasformando il gas in alcool metilico (CH 3 OH), che può essere agevolmente utilizzato per l azionamento di motori. Il metanolo, caratterizzato da un potere calorifico inferiore dell ordine di 21.000 kj/kg, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica, con potere calorifico analogo a quello delle benzine tradizionali. La digestione anaerobica è un processo di conversione di tipo biochimico che avviene in assenza di ossigeno; essa consiste nella degradazione operata da microrganismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, con produzione di una miscela di gas (biogas) costituita per il 50 70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO 2 ed avente un potere calorifico medio dell ordine di 23.000 kj/nm³. Il biogas raccolto viene trattato (eliminazione di alcuni composti eventualmente presenti quali ad esempio H 2 S) compresso ed immagazzinato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas per produrre calore o motori a combustione interna (adattati allo scopo a partire da motori navali a basso numero di giri) per produrre energia elettrica. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante residui ad alto contenuto di umidità, quali le deiezioni animali, i reflui civili, i rifiuti alimentari e la FORSU. 22 Anno 2 Numero 4 Luglio Agosto 2008

La fermentazione alcolica è un processo di tipo micro-aerofilo che opera la trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali (come la canna da zucchero) in etanolo. L etanolo (come tale o in forma di ETBE) rappresenta un biocarburante sul quale si ripongono le maggiori aspettative data l attuale competitività economica dell etanolo prodotto in paesi emergenti con l adatto clima rispetto agli idrocarburi. L estrazione di oli è un processo che permette di estrarre oli dalle piante oleaginose (soia, colza, girasole, ecc.). Caratteristica comune di tutte le oleaginose è quella di essere ricche di materie proteiche che, dopo l estrazione dell olio, sono impiegabili nell alimentazione animale sotto forma di panelli. Le principali piante che si trovano in Europa sono la colza e il girasole (i principali Paesi produttori europei sono, per la colza, la Germania, la Francia, la Gran Bretagna e la Danimarca; per il girasole, la Francia, la Spagna e l Italia); la coltivazione della soia, invece, si trova principalmente in America (Stati Uniti, Brasile e Argentina). Gli oli possono essere utilizzati come combustibili nello stato in cui vengono estratti oppure dopo esterificazione (biodiesel), ed il loro utilizzo ha destato ormai da tempo un notevole interesse, sia per la disponibilità di tecnologie semplici di trasformazione ed utilizzazione, sia perché consentono bilanci energetici accettabili, sia, infine, per la riutilizzazione dei sottoprodotti di processo (es. utilizzando la glicerina in raffineria a integrazione o in alternativa al petrolio grezzo (Holmgren, 2005)). Conclusioni Il costante aumento dei prezzi dei combustibili fossili e le incertezze sulle garanzie di approvvigionamento, unite alle recenti politiche europee volte all incentivazione delle fonti energetiche rinnovabili, stanno contribuendo negli ultimi anni ad un interesse crescente per l utilizzo delle biomasse come risorsa energetica (APER, 2008). In tale contesto, il mondo scientifico si sta muovendo attraverso la realizzazione di studi e ricerche rivolti all individuazione di processi innovativi per lo sfruttamento di nuove tipologie di biomasse con elevata resa energetica - un esempio è rappresentato dal processo che consente di produrre biodiesel dalla jatropha curcas (Pramanik & Tripathi, 2005). Nel nostro Paese tuttavia, nonostante l elevata disponibilità di biomasse residuali, tale settore non ha raggiunto ancora applicazioni tali da assumere una dimensione reale di mercato. I maggiori ostacoli di carattere organizzativo sono da ricercarsi nella difficoltà di istituire Consorzi o Associazioni di impresa tra produttori agricoli, industriali e imprese di servizi per la fornitura, la lavorazione delle biomasse, la gestione e la manutenzione degli impianti e, infine, la distribuzione dell energia elettrica e/o termica prodotta. I principali punti di debolezza del sistema di valorizzazione energetica delle biomasse in Italia possono essere ricondotti ad alcuni aspetti: -- numerosità e frammentarietà di normative sia giuridiche che tecniche; -- difficoltà di identificazione delle biomasse e separazione dai rifiuti; -- elevati costi di approvvigionamento della materia prima; -- assenza di una filiera agricola; -- scarso coinvolgimento delle popolazioni locali. In particolare la difficoltà di sviluppo del settore dello sfruttamento energetico delle biomasse è legata principalmente al superamento delle barriere non-tecniche (finanziamenti dei costi di investimento alquanto elevati, Politica Agricola Comunitaria, diffusione delle informazioni). Da quanto sopra esposto si evince come, ai fini di uno sviluppo su larga scala del sistema nazionale di valorizzazione energetica delle biomasse, risulti fondamentale l adozione e la corretta gestione di una filiera organizzativa che comprenda sia la produzione attraverso colture dedicate, sia la raccolta e quindi l utilizzo per fini energetici. - APER Report Bioenergie 2007-2008, 2008. - Boni M.R., Rubrichi G. Seminario Riduzione dell uso di combustibili fossili attraverso energia da fonti rinnovabili ed in particolare da biomasse Roma, 10 luglio 2007. - Holmgren J. Opportunities for biorenewables in oil refineries Proceedings of 1 st International Biorefinery Workshop. Washington D.C. July 20-21, 2005. - Pramanik T., Tripathi S. Biodiesel: clean fuel of the future. Hydrocarbon Processing 84(2): 49-54, 2005. - Virdis L. Produzione di idrogeno da rifiuti mediante l utilizzo di microrganismi non fototrofici Tesi di dottorato in Ingegneria ambientale XIX ciclo, Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Strade, facoltà di Ingegneria, Sapienza Università di Roma, 2007. bibliografia 23